Wetenschap
Hergebruikte biergist ingekapseld in hydrogels kan een kosteneffectieve manier zijn om lood uit water te verwijderen
Elk jaar genereren bierbrouwerijen duizenden tonnen overtollige gist en gooien deze weg. Onderzoekers van MIT en Georgia Tech hebben nu een manier bedacht om die gist opnieuw te gebruiken om lood uit vervuild water te absorberen.
Via een proces dat biosorptie wordt genoemd, kan gist snel zelfs sporen van lood en andere zware metalen uit water opnemen. De onderzoekers lieten zien dat ze de gist in hydrogelcapsules konden verpakken om een filter te creëren dat lood uit water verwijdert. Omdat de gistcellen zijn ingekapseld, kunnen ze, zodra het drinkbaar is, gemakkelijk uit het water worden gehaald.
"We hebben de hydrogel die de vrije gist omringt die zich in het midden bevindt, en deze is poreus genoeg om water binnen te laten, een interactie aan te gaan met gist alsof ze vrij in water bewegen, en er dan schoon weer uit te komen", zegt Patricia Statatou, een voormalig postdoc bij het MIT Center for Bits and Atoms, die nu onderzoekswetenschapper is bij Georgia Tech en een aankomend assistent-professor aan de Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering.
"Het feit dat de gist zelf biogebaseerd, goedaardig en biologisch afbreekbaar is, is een aanzienlijk voordeel ten opzichte van traditionele technologieën."
De onderzoekers voorzien dat dit proces kan worden gebruikt om drinkwater dat uit de kraan komt in huizen te filteren, of kan worden opgeschaald om grote hoeveelheden water in zuiveringsinstallaties te behandelen.
MIT-student Devashish Gokhale en Statatou zijn de hoofdauteurs van de studie, die verschijnt in het tijdschrift RSC Sustainability . Patrick Doyle, de Robert T. Haslam hoogleraar chemische technologie aan het MIT, is de hoofdauteur van het artikel, en Christos Athanasiou, een assistent-professor lucht- en ruimtevaarttechniek aan Georgia Tech en een voormalig gastonderzoeker aan het MIT, is ook een auteur.
Lood absorberen
De nieuwe studie bouwt voort op het werk waarmee Statatou en Athanasiou in 2021 begonnen, toen Athanasiou gastonderzoeker was aan het Center for Bits and Atoms van MIT. Dat jaar berekenden ze dat afvalgist dat uit één brouwerij in Boston werd weggegooid, voldoende zou zijn om de hele watervoorziening van de stad te zuiveren.
Door middel van biosorptie, een proces dat nog niet volledig wordt begrepen, kunnen gistcellen zich binden aan zware metaalionen en deze absorberen, zelfs bij uitdagende initiële concentraties van minder dan 1 deel per miljoen. Het MIT-team ontdekte dat dit proces water met lage concentraties lood effectief kan ontsmetten. Er bleef echter één belangrijk obstakel over, namelijk hoe je gist uit het water kon verwijderen nadat deze het lood had opgenomen.
Door een toevallig toeval presenteerden Stathatou en Athanasiou hun onderzoek op de AIChE-jaarvergadering in Boston in 2021, waar Gokhale, een student in het laboratorium van Doyle, zijn eigen onderzoek presenteerde over het gebruik van hydrogels om microverontreinigingen in water op te vangen. De twee groepen onderzoekers besloten hun krachten te bundelen en te onderzoeken of de op gist gebaseerde strategie gemakkelijker op te schalen zou zijn als de gist zou worden ingekapseld in hydrogels ontwikkeld door Gokhale en Doyle.
"Wat we besloten te doen was deze holle capsules te maken, zoiets als een multivitaminepil, maar in plaats van ze te vullen met vitamines, vullen we ze met gistcellen", zegt Gokhale. "Deze capsules zijn poreus, waardoor het water de capsules in kan en de gist al dat lood kan binden, maar de gist zelf kan niet in het water ontsnappen."
De capsules zijn gemaakt van een polymeer genaamd polyethyleenglycol (PEG), dat veel wordt gebruikt in medische toepassingen. Om de capsules te vormen, suspenderen de onderzoekers gevriesdroogde gist in water en mengen ze vervolgens met de polymeersubeenheden. Wanneer er UV-licht op het mengsel schijnt, verbinden de polymeren zich tot capsules met daarin opgesloten gist.
Elke capsule heeft een diameter van ongeveer een halve millimeter. Omdat de hydrogels erg dun en poreus zijn, kan water er gemakkelijk doorheen gaan en de gist binnenin tegenkomen, terwijl de gist gevangen blijft.
In dit onderzoek toonden de onderzoekers aan dat de ingekapselde gist sporen van lood net zo snel uit water kon verwijderen als de niet-ingekapselde gist uit het oorspronkelijke onderzoek van Statatou en Athanasiou uit 2021.
Opschaling
Onder leiding van Athanasiou testten de onderzoekers de mechanische stabiliteit van de hydrogelcapsules en ontdekten dat de capsules en de gist erin bestand zijn tegen krachten die vergelijkbaar zijn met die gegenereerd door water dat uit een kraan stroomt. Ze berekenden ook dat de met gist beladen capsules in staat zouden moeten zijn om krachten te weerstaan die worden gegenereerd door stromingen in waterzuiveringsinstallaties die honderden woningen bedienen.
"Gebrek aan mechanische robuustheid is een veel voorkomende oorzaak van het mislukken van eerdere pogingen om biosorptie op te schalen met behulp van geïmmobiliseerde cellen; in ons werk wilden we ervoor zorgen dat dit aspect vanaf het allereerste begin grondig wordt aangepakt om de schaalbaarheid te garanderen", zegt Athanasiou.
Na beoordeling van de mechanische robuustheid van de met gist beladen capsules, construeerden de onderzoekers een proof-of-concept gepakt-bed biofilter, in staat om sporen van met lood verontreinigd water te behandelen en te voldoen aan de drinkwaterrichtlijnen van de Amerikaanse Environmental Protection Agency, terwijl het continu gedurende 12 dagen werkte.
Dit proces zou waarschijnlijk minder energie verbruiken dan bestaande fysisch-chemische processen voor het verwijderen van sporen van anorganische verbindingen uit water, zoals neerslag en membraanfiltratie, zeggen de onderzoekers.
Deze aanpak, geworteld in de principes van de circulaire economie, kan afval en de impact op het milieu tot een minimum beperken en tegelijkertijd economische kansen binnen lokale gemeenschappen bevorderen. Hoewel er op verschillende locaties in de Verenigde Staten talloze loodverontreinigingsincidenten zijn gemeld, zou deze aanpak een bijzonder significante impact kunnen hebben in gebieden met lage inkomens die van oudsher te maken hebben gehad met milieuvervuiling en beperkte toegang tot schoon water, en die zich mogelijk geen andere middelen kunnen veroorloven. manieren om dit te verhelpen, zeggen de onderzoekers.
"Wij denken dat hier een interessant milieurechtvaardigheidsaspect aan zit, vooral als je begint met zoiets goedkoops en duurzaams als gist, dat vrijwel overal verkrijgbaar is", zegt Gokhale.
De onderzoekers onderzoeken nu strategieën voor het recyclen en vervangen van de gist zodra deze opgebruikt is, en proberen te berekenen hoe vaak dat zal moeten gebeuren. Ze hopen ook te onderzoeken of ze grondstoffen uit biomassa kunnen gebruiken om de hydrogels te maken, in plaats van op fossiele brandstoffen gebaseerde polymeren, en of de gist kan worden gebruikt om andere soorten verontreinigingen op te vangen.
"In de toekomst is dit een technologie die kan worden ontwikkeld om andere sporen van verontreiniging die opkomend probleem vormen, zoals PFAS of zelfs microplastics, aan te pakken", zegt Statatou. "We zien dit echt als een voorbeeld met veel potentiële toepassingen in de toekomst."